Sistema Tampão
SISTEMA-TAMPÃO
Autora: Flavia Garcia
As soluções-tampão são largamente empregadas em laboratórios de análise, aplicação ou purificação de biomoléculas. Isso ocorre porque as soluções-tampão são soluções que não sofrem mudanças drásticas de pH, quando da adição de ácidos ou bases.
O pH ou potencial hidrogeniônico está relacionado com a concentração do íon hidrogênio (H+) em uma solução e o seu valor indica se esta é ácida, neutra ou básica. Ocorre que a conformação de moléculas, cuja atividade é justamente determinada pela sua estrutura tridimensional, é determinada pelo pH do meio. Assim, a função catalítica de uma enzima, bem como o reconhecimento de um antígeno por um anticorpo dependem das condições de pH do local onde essas proteínas estão presentes.
Segundo a definição de Brönsted para os ácidos e bases, um ácido é uma substância capaz de doar prótons e uma base é uma substância capaz de recebê-los. Assim, o HCl ou ácido clorídrico é um ácido porque, quando em solução aquosa, ele se dissocia da seguinte forma:
Sendo que o ânion, nesse caso o Cl-, é chamado de base conjugada do ácido HCl. Observe que o HCl é, de fato, a substância capaz de doar prótons (H+) para o meio, enquanto que Cl- é um ânion, teoricamente, capaz de recebê-lo. Contudo, no caso do ácido clorídrico e de outros ácidos fortes, como o ácido sulfúrico (H2SO4), eles se dissociam completamente em soluções aquosas*.
Por outro lado, existem ácidos que não se dissociam completamente em solução aquosa, estabelecendo um equilíbrio entre a sua forma associada e a sua forma dissociada, esses ácidos são os chamados ácidos fracos e são os constituintes dos tampões*. Vejamos os motivos:
Representando a forma associada de um ácido fraco como HA, a sua base conjugada como A, e H+ como os prótons de hidrogênio dissociados, temos a seguinte situação:
Observe que, no caso do ácido fraco, a reação pode ocorrer nos dois sentidos e obedece a uma constante de equilíbrio, também chamada de constante de dissociação ou constante de ionização (Ka). A constante de dissociação ou constante de ionização de um ácido fraco (Ka) não muda e é calculada através da seguinte equação:
Ka = [H+].[A-] / [HA]
[ ] representa concentração
Assim, se H+ for adicionado a essa solução de ácido fraco (pela adição de um ácido forte, por exemplo), a concentração de H+ irá aumentar e o pH irá diminuir, porém, a concentração de H+ no meio aumentará menos do que aumentaria se não houvesse um ácido fraco no meio. Isso acontece porque uma parte da base conjugada do ácido fraco, A-, se conjugará com uma parte do H+ adicionado, consequentemente, a reação se deslocará para o sentido da forma associada. Uma vez que o valor de Ka não se altera, ocorrerá um aumento na concentração de HA, uma diminuição na concentração de A- e, obviamente, um aumento (ainda que não drástico) na concentração de H+:
*Clique no link buffers.ppt para visualizar uma animação em Power Point da dissociação de um ácido forte em relação à dissociação de um ácido fraco (obs: utilize o modo de apresentação de slides): buffers.ppt (240640)
Por outro lado, se uma base for adicionada a uma solução-tampão, a hidroxila (OH-) reagirá com o H+ formando água. O resultado, nesse caso, será a dissociação do ácido fraco, causando, assim, uma diminuição na concentração de HA, um aumento na concentração de A- e uma diminuição na concentração de H+:
Como escolher o tampão?
A solução-tampão a ser utilizada em um experimento depende da natureza da molécula com a qual se deseja trabalhar. O tampão ideal será aquele capaz de conservar o pH dentro de uma faixa que conserve a conformação nativa da molécula-alvo.
Os ácidos fracos têm em comum o fato de apresentarem pequena dissociação; contudo, dentre os ácidos fracos, há os que têm maior ou menor dissociação em solução aquosa, o que nos permite afirmar que cada ácido fraco possui uma determinada força ácida.
Conforme já mencionado, a adição de um álcali ou base ao ácido fraco induz a sua dissociação; uma vez que, nessa situação, o H+ é consumido na formação de moléculas de H2O, deslocando para o lado direito a seguinte reação:
Um tampão apresentará eficiência máxima quando, simultaneamente, estiver disponível a maior quantidade possível da forma associada e da forma dissociada do ácido fraco, condição esta que é atingida quando metade do ácido fraco estiver na forma HA e a outra metade se encontrar na forma dissociada.
O pH no qual um ácido fraco está 50% na sua forma associada e 50% na sua forma dissociada é representado como pKa e, conhecer o pKa de um ácido fraco é fundamental para decidir se este será ou não um tampão adequado. Além do pKa indicar o pH no qual um determinado tampão tem maior eficiência, nos valores de pH que estão uma unidade acima ou uma unidade abaixo do valor de pKa, o tampão ainda exerce sua função, enquanto que, fora de tal intervalo, a solução não mais terá ação tamponante.
De fato, se for adicionada uma quantidade muito elevada de álcali a uma solução-tampão, a forma conjugada do ácido fraco acabará se dissociando demais, o valor de pH aumentará bruscamente, mostrando perda do poder de tamponamento. Nesse sentido, a titulação de um ácido fraco denota como os valores de pH se mantêm controlados dentro da faixa compreendida de uma unidade abaixo até uma unidade acima do valor de pka (Figura 1).
Figura 1. Titulação de um ácido fraco pela adição de um álcali. Note que em torno do pH no qual o ácido está 50% dissociado (pKa), novas adições de álcali (OH-) não provocam mudanças bruscas de pH. Por outro lado, fora desse intervalo, a solução não mais se comporta como um tampão e o pH aumenta de maneira abrupta.
Analogamente, quando se adiciona ácido forte para titular uma solução-tampão, a curva é invertida, uma vez que, nesse caso, haverá uma redução ao invés de um aumento nos valores de pH em função da concentração de H+; sendo que a região em torno do valor de pKa permanecerá achatada, indicando a faixa onde há efeito tamponante.
Diante das considerações supracitadas, suponha o objetivo de trabalhar com uma enzima, cuja atividade ótima se dá em pH 5.0: qual ácido fraco poderia ser utilizado para produzir uma solução tampão na qual a enzima atuará?
O procedimento inicial para preparar a solução-tampão, se desconhecidos os valores de pKa, será a titulação dos ácidos fracos disponíveis através da medição do valor de pH da solução a cada adição de volumes iguais de um álcali ou de um ácido forte.
Na hipótese da enzima de atividade ótima em pH 5.0, o ácido acéticoseria um tampão adequado. O ácido acético possui pKa = 4.76, de forma que ele é capaz de manter o pH sem grandes variações dentro de uma faixa que começa em 3.76 e termina em 5.76, incluindo, portanto, o pH 5.0. Na prática, o tampão seria produzido adicionando-se 50% de ácido acético e 50% de sua base conjugada, o acetato, em água. A solução resultante, conforme esperado, teria pH = pka = 4.76, de forma que para ajustar o pH para 5.0 seria procedida a adição de pequena quantidade de um álcali.
É importante destacar o fato de que a eficiência de um tampão também depende de sua concentração, o que é fácil compreender se considerarmos que uma concentração mais elevada significa maior disponibilidade de íons para reagir a adições de OH- ou H+ ao meio. Assim, 1 mol do tampão feito com ácido acético é mais eficiente do que 0.1 mol do mesmo tampão .
Instrumentos utilizados para medição de pH